大噴嘴充氣器充氣性能的仿真研究

吳 峰 ,孫偉成 ,史帥星 ,董干國(guó) ,段莉莉

(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司 礦物加工科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100160;2.天津市天河計(jì)算機(jī)技術(shù)有限公司,天津 300457)

當(dāng)下冶金化工等行業(yè)大量的反應(yīng)設(shè)備都需要空氣的參與,充氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣是影響反應(yīng)設(shè)備性能的主要因素,因此提高相關(guān)反應(yīng)設(shè)備充氣系統(tǒng)的性能一直是該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)[1-2]。近年來(lái),礦冶科技集團(tuán)在多個(gè)項(xiàng)目的支持下,開發(fā)出壓力式充氣器并將其應(yīng)用到冶金耗氧反應(yīng)設(shè)備氰化槽和氧化槽充氣系統(tǒng)中,在現(xiàn)場(chǎng)的工業(yè)試驗(yàn)和實(shí)際工程應(yīng)用中均取得了較好的指標(biāo),受到業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注,應(yīng)用領(lǐng)域在進(jìn)一步擴(kuò)展[3-6]。由于冶金及化工反應(yīng)設(shè)備普遍高度較高,實(shí)驗(yàn)室研究無(wú)法匹擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際高度,導(dǎo)致無(wú)法真實(shí)的獲得充氣器在實(shí)際工況下的充氣性能數(shù)據(jù)。本文在實(shí)驗(yàn)室前期實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上[7],利用仿真手段研究大噴嘴充氣器(出氣口徑10 mm)在真實(shí)工作環(huán)境狀況下的充氣特性,即充氣壓力和浸沒(méi)深度與充氣性能之間的關(guān)系,為大噴嘴充氣器的實(shí)際應(yīng)用提供理論支持,進(jìn)一步為其在實(shí)際工況應(yīng)用下時(shí)相關(guān)參數(shù)的選取提供數(shù)據(jù)支撐。

1 大噴嘴充氣器的工作原理

大噴嘴充氣器的工作原理示意圖如圖1 所示?？諌簷C(jī)送來(lái)的高壓氣體通過(guò)充氣器的進(jìn)氣口進(jìn)入水平管道,進(jìn)而到達(dá)前方的噴嘴處,因?yàn)闅怏w壓力的作用壓縮后面執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的彈簧,彈簧帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)閥桿向后運(yùn)動(dòng),使得前端噴嘴打開,高壓氣體通過(guò)噴嘴噴出進(jìn)入反應(yīng)設(shè)備的漿液中,并通過(guò)漿液的剪切作用產(chǎn)生大量小氣泡,小氣泡由于初始速度的作用向噴嘴的前方及左右方向運(yùn)動(dòng),并且在浮力的作用下同步向上運(yùn)動(dòng)。

圖1 大噴嘴充氣器工作原理示意圖

表征大噴嘴充氣器充氣性能的參數(shù)主要有單位時(shí)間內(nèi)噴射出的空氣體積流量V、氣流噴射長(zhǎng)度L、氣流末端擴(kuò)散寬度B和噴射氣泡直徑D等[8],示意圖如圖2 所示。

圖2 大噴嘴充氣器充氣性能表示示意圖

對(duì)于大型冶金設(shè)備而言,當(dāng)反應(yīng)所需氣量一定時(shí),單個(gè)噴嘴噴射出的氣體體積流量決定了充氣器的配置數(shù)量,是大噴嘴充氣性能最重要的表征參數(shù);而氣流噴射長(zhǎng)度和末端擴(kuò)散寬度則決定了充氣系統(tǒng)中充氣器的配置方式。

根據(jù)前期的實(shí)驗(yàn)研究[5]可知,充氣壓力和噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)大噴嘴噴射氣泡直徑D影響最大,其它因素影響都較小。由于充氣壓力達(dá)到一定值后,噴射的氣泡平均直徑已經(jīng)滿足工業(yè)上的使用要求,同時(shí)考慮仿真計(jì)算中氣泡直徑不好評(píng)判獲取,故本文中不對(duì)其進(jìn)行對(duì)比研究。

2 大噴嘴充氣器工作仿真模型的建立

由于大噴嘴充氣器工作時(shí)將高壓空氣噴射入反應(yīng)液中,涉及兩種流體的變化狀態(tài),采用CFD 流體仿真軟件對(duì)其進(jìn)行模擬[9-10],反應(yīng)液簡(jiǎn)化為清水。

2.1 幾何模型

依據(jù)前期實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)結(jié)果[7],大噴嘴噴射氣體長(zhǎng)度在500 mm 左右,末端擴(kuò)散寬度也為500 mm 左右,仿真模型采用水槽橫截面為1 m ×1 m 的正方形,考慮到噴嘴噴出的氣體向下擴(kuò)散的區(qū)域很小,噴嘴中心距水槽底部300 mm,噴嘴前端伸入水槽壁面100 mm,水槽的高度依據(jù)大噴嘴真實(shí)工作的浸沒(méi)深度設(shè)定,大噴嘴充氣器工作時(shí)的三維幾何模型如圖3 所示。

圖3 大噴嘴充氣器工作三維幾何模型示意圖

2.2 求解計(jì)算模型

由于大噴嘴的充氣試驗(yàn)所使用的氣量較大,工作時(shí)要求具有較好的載氣條件,所以采用歐拉-歐拉模型模擬氣相與液相的流動(dòng)情況。

2.3 氣泡處理方法

在計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬的商業(yè)軟件中,氣泡尺寸分析方法分為單一氣泡尺寸模型和多組氣泡尺寸模型。單一氣泡尺寸適用于氣泡流動(dòng)穩(wěn)定,粒子與主相的速度大小方向相同,即Storkes 數(shù)值較小的情況。多尺寸分組模型(MUSG 模型)是簡(jiǎn)化的群體平衡模型。群體平衡模型是一種“刻畫”多相流中分散相分布的方法,能夠考慮到噴氣過(guò)程中氣泡的聚并與破碎現(xiàn)象,且氣泡有尺寸范圍的分布,對(duì)于提高水槽內(nèi)氣含率的準(zhǔn)確性具有一定的意義。本文中所使用的MUSIG 方法的破碎模型和聚并模型選用的分別是Luo and Svendsen 模型和Prince and Blanch 模型。

2.4 求解策略與網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

對(duì)于邊界條件的設(shè)置,將充氣的入口設(shè)置在噴嘴靠近槽壁處,頂部出口可以設(shè)置為主軸degassing出口邊界或Opening 開放邊界。為保證容易收斂,頂部出口設(shè)置Opening 開放邊界,定義僅允許空氣流進(jìn)和流出,壓力為0 Pa。除動(dòng)靜流體域的交界面外,其余邊界選擇為壁面邊界。以穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法為主,求解設(shè)定目標(biāo)殘差小于10-4,或模擬至噴嘴入口流量和頂部出口流量守恒為止,數(shù)值模擬計(jì)算工作使用天津市天河計(jì)算機(jī)技術(shù)有限公司超算平臺(tái)的商業(yè)軟件完成計(jì)算。

仿真選用四面體的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格盡管計(jì)算量較大,但具有適應(yīng)性強(qiáng),劃分網(wǎng)格單元消耗時(shí)間短等顯著優(yōu)點(diǎn)。采用100 萬(wàn)、200 萬(wàn)、400 萬(wàn)網(wǎng)格單元數(shù)的模型進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。如圖4 所示,對(duì)比了噴嘴壓充氣力為0.4 MPa,浸沒(méi)水深2 m的噴氣量情況?？梢钥吹较啾?00 萬(wàn)網(wǎng)格數(shù),在網(wǎng)格200 萬(wàn)的時(shí)候噴嘴噴出的氣流基本已經(jīng)連續(xù)和網(wǎng) 格400 萬(wàn)的情況已經(jīng)較類似,不影響分析的精度。

圖4 不同網(wǎng)格單元數(shù)的氣含率分布

計(jì)算該條件下的噴嘴噴射出的氣體流量,結(jié)果見表1,表1 數(shù)據(jù)表明200 萬(wàn)和400 萬(wàn)網(wǎng)格單元數(shù)的模型氣體流量較為接近。

表1 不同網(wǎng)格單元數(shù)時(shí)噴嘴噴出的氣體流量

綜合計(jì)算時(shí)間和求解精度考慮,最終每2 米深度采用200 萬(wàn)網(wǎng)格的模型方法進(jìn)行大噴嘴充氣器在不同氣體壓力和不同浸沒(méi)深度條件下的仿真計(jì)算,圖5 給出了200 萬(wàn)網(wǎng)格量的模型圖。

圖5 大噴嘴充氣器工作仿真模擬四面體網(wǎng)格模型

2.5 仿真變量參數(shù)

利用上面仿真模型的建立策略,本文重點(diǎn)對(duì)大噴嘴充氣器在實(shí)際工作條件下的充氣性能進(jìn)行清水仿真研究,也即對(duì)大噴嘴充氣器實(shí)際浸沒(méi)深度和充氣壓力對(duì)充氣性能的影響,這兩個(gè)仿真變量參數(shù)如表2 所示。

表2 大噴嘴充氣器實(shí)際工況下仿真變量參數(shù)

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 出流量隨浸沒(méi)深度及充氣壓力的變化情況

通過(guò)后處理軟件處理仿真結(jié)果,獲取到10 mm噴嘴出口截面各點(diǎn)的氣體流速,計(jì)算出平均氣體流速乘以噴嘴截面積即得到不同情況下的噴嘴出流量,利用繪圖軟件繪制各工況下的氣體出流量曲線圖,如圖6 所示。

圖6 浸沒(méi)深度和充氣壓力與噴嘴的出流量關(guān)系

從圖6 中可以看出,在相同的充氣壓力條件下,隨著浸沒(méi)深度的增大,噴嘴出流量在逐漸減小;在相同的浸沒(méi)深度條件下,隨著充氣壓力的增大,噴嘴的出流量在增大,這兩點(diǎn)變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)工況下得到的結(jié)論是完全一樣的。從表中數(shù)據(jù)可以得到充氣壓力為0.3 MPa、0.4 MPa 和0.5 MPa 時(shí),隨浸沒(méi)深度的增大噴嘴出流量的減小幅度分別為39.7%、28.4%、21.6%,可知在噴嘴浸沒(méi)深度達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)量值時(shí),出流量的減小值非常顯著,特別是在充氣壓力值較低時(shí)此影響更加不可忽略。

3.2 噴射氣流長(zhǎng)度隨浸沒(méi)深度及充氣壓力的變化情況

通過(guò)后處理軟件,顯示不同浸沒(méi)深度及充氣壓力下仿真結(jié)果中的含氣率云圖,截取充氣器噴嘴中心豎直截面,可以看到噴嘴噴射氣流長(zhǎng)度的變化情況,如圖7 所示。

圖7 浸沒(méi)深度和充氣壓力與噴嘴噴射氣流長(zhǎng)度關(guān)系

在圖7 中,純紅色代表氣相,純藍(lán)色代表液相,中間的過(guò)渡顏色代表含氣率的變化,從圖中可以直觀的看出,在相同的充氣壓力條件下,隨著浸沒(méi)深度的增大,噴嘴的噴射氣流長(zhǎng)度在逐漸的減小;在相同的浸沒(méi)深度條件下,隨著充氣壓力的增大,噴嘴的噴射氣流長(zhǎng)度在逐漸增大。

通過(guò)提取各工況下噴嘴中心線上距噴嘴前端中心點(diǎn)遠(yuǎn)近不同距離處的含氣率數(shù)據(jù),繪制曲線圖如圖8 所示,從圖中可以看出,不同浸沒(méi)深度和充氣壓力時(shí)離開噴嘴的距離小于等于500 mm 的范圍內(nèi),其水中的含氣率都大于60%,可以認(rèn)為噴嘴噴出氣體的氣流長(zhǎng)度都大于500 mm。

圖8 浸沒(méi)深度和充氣壓力與離開噴嘴不同距離的含氣率關(guān)系

3.3 噴射氣流寬度隨浸沒(méi)深度及充氣壓力的變化情況

利用3.2 小節(jié)的方法,仍舊在顯示不同浸沒(méi)深度及充氣壓力下仿真結(jié)果中的含氣率云圖下,截取充氣器噴嘴中心水平截面,可以很清楚的看到噴嘴噴射氣流寬度的變化情況,如圖9 所示。

在圖9 中,純藍(lán)色到純紅色仍舊代表水相到氣相的變化情況,純藍(lán)色表示全是液相,純紅色代表全是氣相,中間的過(guò)渡顏色代表液相中含氣率的大小變化,從圖中可以直觀的看出,在相同的充氣壓力條件下,隨著浸沒(méi)深度的增大,噴嘴的噴射氣流寬度在逐漸的減小;在相同的浸沒(méi)深度條件下,隨著充氣壓力的增大,噴嘴的噴射氣流寬度在逐漸增大。

通過(guò)提取各工況下噴嘴中心線上距噴嘴前端中心點(diǎn)左右不同距離處的含氣率數(shù)據(jù),繪制曲線圖如圖10 所示,從圖中可以看出不同浸沒(méi)深度和充氣壓力時(shí)離開噴嘴中心距離等于100 mm 的范圍內(nèi),其水中的含氣率基本都減小為0,可以認(rèn)為噴嘴噴出氣體的末端擴(kuò)散寬度都小于200 mm。

圖10 浸沒(méi)深度和充氣壓力與離開噴嘴中心距離的含氣率關(guān)系

4 結(jié)論

本文在分析大噴嘴充氣器的工作原理及充氣性能表征參數(shù)的基礎(chǔ)上,利用流體仿真軟件建立了基于實(shí)際工況的大噴嘴充氣器仿真模型,通過(guò)仿真得到大噴嘴充氣器充氣性能隨實(shí)際工作參數(shù)的變化規(guī)律,得到以下主要結(jié)論。

1)在同一浸沒(méi)深度條件下,隨著充氣壓力的增大,大噴嘴充氣器的三個(gè)充氣性能參數(shù)都相應(yīng)增大,同時(shí)得到大噴嘴充氣器在實(shí)際浸沒(méi)深度量值時(shí),浸沒(méi)深度的變化對(duì)噴氣流量的影響不可忽略。

2)在同一壓力條件下,隨著噴嘴浸沒(méi)深度的增加,噴氣流量和氣流噴射寬度在減小,氣流噴射長(zhǎng)度也在相應(yīng)的減小。

3)在所模擬的操作參數(shù)條件下,氣流噴射長(zhǎng)度都達(dá)到500 mm,而氣流噴射寬度都小于200 mm,相對(duì)于數(shù)米或者數(shù)十米的大型反應(yīng)器來(lái)講,這兩個(gè)性能表征量相對(duì)來(lái)說(shuō)影響較弱。

以上規(guī)律的得出對(duì)于大噴嘴充氣器在實(shí)際應(yīng)用中工作參數(shù)的選取提供重要的數(shù)據(jù)支撐。